Cos'è un cortocircuito: una semplice definizione, tipi e cause di un cortocircuito

Spesso, quando si discute di argomenti relativi all'elettricità, un cortocircuito (SC) viene chiamato la causa del guasto dell'apparecchiatura o di un incendio. Dalle lezioni di fisica a scuola, le persone sanno che è fastidioso, ma molti non si rendono nemmeno conto dei suoi benefici. Avendo appreso cos'è il KZ e avendo compreso la natura del suo aspetto, si può capire quando diventa distruttivo e in quali casi aiuta.

Definizione fisica

Nei libri di testo di fisica, un cortocircuito viene solitamente chiamato il verificarsi di una connessione elettrica tra due punti in un circuito elettrico circuiti che sono a diversi valori di potenziale nei casi non previsti dalla progettazione del dispositivo e che portano a violazioni nel suo opera.

Per comprendere questa definizione, si dovrebbe capire che cos'è il potenziale. Ma sarebbe più corretto dire "potenziale elettrostatico", perché può essere biologico, chimico e matematico. La carica è una quantità fisica che determina la proprietà di corpi o particelle di interagire in un campo elettromagnetico. Il concetto di carica elettrica è primario in elettrodinamica; sulla sua base, vengono fatte definizioni per altri processi e fenomeni fisici, incluso il potenziale.

Il potenziale si riferisce all'energia posseduta da una carica posta in un campo elettrico. L'unità di misura è il volt, che è uguale al rapporto tra il joule e il coulomb. Cioè, il potenziale elettrico è caratterizzato dal rapporto tra l'energia di interazione della carica con il campo che la circonda e il valore della sua grandezza.

Il lavoro svolto dall'elettricità o dall'energia è determinato dalla differenza di potenziale (tensione). Più è alto, più lavoro deve essere svolto dalla forza elettrica per spostare la carica da un punto all'altro. Il movimento richiede energia, mentre il potere viene rilasciato durante il movimento. Se il movimento della carica avviene in modo ordinato, allora sorge una corrente.

In questo caso, il lavoro è considerato utile quando l'energia potenziale proveniente da diverse estremità del circuito elettrico supera una certa resistenza. Ma se non esiste, allora da una parte del circuito la corrente scorrerà senza perdita verso l'altra, mentre verrà rilasciata la potenza corrispondente alla forza attuale.

Per spiegare in modo semplice che cos'è un cortocircuito, puoi fare così: se in un conduttore con una corrente che è eccitata, la resistenza diminuirà fino a un valore insignificante, quindi tutta l'energia inizierà a essere rilasciata nel punto di connessione elettrica di due valori potenziali. La formazione di questo potere è chiamata il verificarsi di un cortocircuito o guasto.

Tipi di fenomeno

Il processo della comparsa di un cortocircuito implica la formazione di un contatto elettrico tra due potenziali. A seconda della zona, la chiusura può essere puntuale e solida. Se si verifica negli impianti elettrici, viene diviso in turn-to-turn o scafo. Il primo tipo è tipico per un rotore o statore. In questo caso, può verificarsi un guasto attraverso il suolo o l'aria. A seconda del tipo di cablaggio e del numero di fasi chiuse, il fenomeno si suddivide nelle seguenti tipologie:

• trifase: tutti i fili di fase sono collegati a un punto;
• bifase: si verifica un contatto elettrico tra due fili a potenziali diversi;
• monofase - una chiusura di fase su un filo neutro o un anello di terra.

Corrente di cortocircuito

Per comprendere la definizione di cortocircuito, dovresti ricordare il principio fondamentale dell'elettricità: la legge di Ohm. La sua formulazione è la seguente: la corrente in una sezione del circuito è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale ed inversamente proporzionale alla resistenza elettrica di questa sezione. La formula può esprimere questo come I = U / R, dove:

• I - forza attuale, A;
• U è il valore della tensione, V;
• R - resistenza (impedenza), Ohm.

Pertanto, maggiore è il valore di impedenza, minore sarà la corrente. Ad esempio, quando una linea elettrica con una tensione di 220 volt viene ponticellata con una resistenza di 1 kΩ, attraverso l'elemento scorre una corrente pari a I = 220/1000 = 0,220 A.

Se il resistore è di una potenza adeguata, non accadrà nulla, una certa tensione cadrà su di esso, ma il circuito continuerà a funzionare. Ma se, invece di un resistore, viene utilizzato un conduttore con una resistenza interna infinitesimale, allora la forza la corrente inizierà a crescere rapidamente fino a quando le parti chiuse non si bruceranno e romperanno il contatto elettrico. La corrente alla quale il contatto viene interrotto è chiamata corrente di rottura.

A proposito, questo è il motivo per cui il cortocircuito ha preso il nome, perché la corrente tende ad andare nella direzione con la minor resistenza per il suo flusso. Questa linea risulta essere la più breve sulla sua strada.

Quando si calcola con precisione la rottura, viene utilizzata una formula che tiene conto della resistenza interna della fonte di alimentazione: Ikz = E / (R + r). In questo caso, la potenza termica che appare sarà determinata utilizzando l'espressione P = E2 * R / (R + r).

Il calcolo della corrente di cortocircuito è importante perché viene utilizzato nella scelta di apparecchiature elettriche, protezioni, dispositivi di automazione e limitatori di corrente. Il fenomeno della rottura si verifica più spesso a causa della comparsa di resistenze transitorie attraverso le quali la corrente inizia a fluire. Questi includono archi elettrici, corpi estranei nel luogo di danneggiamento dell'isolamento, dei supporti e della loro messa a terra, nonché il contatto con la terra o tra i conduttori di fase. Ma per semplificare i calcoli, queste resistenze sono prese pari a zero e non vengono prese in considerazione.

Ragioni per l'aspetto

Quando si forma un contatto tra due flussi di cariche, si verifica un'enorme forza di corrente, che è caratterizzata da un cortocircuito. Poiché questo forte aumento di energia si verifica a causa della comparsa di un impulso di shock elettrico, quindi, secondo la legge di Joule-Lenz, la potenza risultante ha un alto grado di rilascio di calore.

La ragione di questo fenomeno è la violazione delle proprietà isolanti dei conduttori. Ciò può accadere a causa dell'usura naturale o delle emergenze nel funzionamento delle apparecchiature elettriche. In pratica, ciò significa contatto diretto tra i conduttori di neutro e di fase.

Ma i fili non devono toccarsi. Un aumento istantaneo della forza di corrente si verifica anche se tra di loro appare un corpo o un mezzo conduttivo con resistenza trascurabile, ad esempio un oggetto conduttivo, acqua o aria umida. Questa situazione si chiama rottura. Si possono distinguere i seguenti motivi per il verificarsi di cortocircuiti:

1. Sovratensione. Quando vengono superati i parametri fisici della linea elettrica, quando una grande corrente passa attraverso il conduttore, la sua resistenza risulta essere grande per esso, quindi si verifica un intenso rilascio di calore. Il conduttore si riscalda cedendo calore allo strato isolante, che si incrina e collassa. La comparsa di alta tensione può essere causata sia da fenomeni naturali (fulmine), sia da errori nel funzionamento di apparecchi elettrici o fonti di energia.
2. Invecchiamento naturale dell'isolamento. Qualsiasi isolamento ha la sua risorsa, che si riduce quando si trova in un ambiente aggressivo, ad esempio con cadute di temperatura.
3. Danni meccanici: sfregamento, danni durante i lavori di costruzione, il risultato dell'azione dei roditori.
4. Errore di installazione. Manipolazione incauta delle parti attive delle apparecchiature, violazioni nella posa dei cavi (piegatura ad angolo acuto, fili incrociati).
5. Cablaggio errato di apparecchiature elettriche o cavi. Si verifica a causa di azioni umane. Ciò potrebbe essere dovuto a riparazioni non riuscite, un errore nella connessione di cavi o linee elettriche, l'uso di dispositivi rotti.

Conseguenze e protezione

Il più grande fastidio che può sorgere durante un corto circuito è il verificarsi di un incendio. Il calore in eccesso risultante provoca l'accensione dell'isolamento e delle sostanze combustibili vicine. Inoltre, durante un guasto, si verifica un arco elettrico, che è una fonte di fuoco aperta. In tal modo, può incendiare gli oggetti vicini.

Se una persona cade nell'area di copertura del circuito, poi viene sottoposto a uno shock di alto amperaggio. Ciò porta al rilascio di calore da parte del corpo e alla successiva combustione del corpo.

Le conseguenze meno significative includono il verificarsi di un grande campo elettrico e scosse elettromagnetiche, che influiscono negativamente sui componenti elettronici e sulle apparecchiature radio, nonché motori elettrici. La comparsa di un cortocircuito porta a uno squilibrio di fase nella rete elettrica, che provoca un aumento di tensione in essa, e questo porta a guasti degli alimentatori dei dispositivi elettrici ad esso collegati.

Per prevenire conseguenze nella progettazione degli impianti elettrici, vengono utilizzati dispositivi speciali e misure di protezione. Queste misure includono:

• test periodici di isolamento delle apparecchiature e delle linee elettriche;
• l'uso di apparecchiature o cablaggi elettrici con una classe di protezione superiore in ambienti potenzialmente pericolosi luoghi come dielettrici di alta qualità o doppio ritardante di fiamma isolamento;
• installazione di fusibili che si bruciano quando la corrente raggiunge un valore pericoloso;
• uso di protezione contro i fulmini, interruttori automatici e differenziali, dispositivi di controllo della tensione.

È molto importante utilizzare i materiali e i dispositivi di protezione corretti durante la costruzione di un sistema di trasmissione. In misura maggiore, ciò riguarda la sezione del cavo conduttivo, il calcolo dei parametri dei moduli di protezione utilizzati e la costruzione competente del circuito di messa a terra.

Uso intenzionale

Il verificarsi involontario di un cortocircuito porta con sé pericoli e guai, ma controllandolo se ne possono raccogliere i frutti. Grazie a ciò, è apparsa la saldatura ad arco elettrico. Un avvolgimento del trasformatore è collegato al pezzo da saldare, formando un contatto permanente con esso, e il secondo è collegato all'elettrodo. Quando tocca la parte, si verifica un cortocircuito con formazione di un arco e rilascio di calore. È questo arco che viene utilizzato per fondere i metalli. Ma se l'elettrodo "si attacca" al metallo, allora tutta la potenza utilizzata inizierà a essere rilasciata sul convertitore, il che porterà alla sua chiusura da giro a giro.

Un'altra applicazione del fenomeno è utilizzata nei cortocircuiti - dispositivi dotati di interruttori automatici. Se diventa necessario scollegare rapidamente la linea di alimentazione, si chiude, a cui reagisce un dispositivo elettromeccanico, spegnendo la sezione.

I vibrometri a induzione e i ricevitori sismici utilizzano SC alla base del loro lavoro, che consente di smorzare le vibrazioni meccaniche. La modalità Breakdown viene spesso utilizzata quando si collegano gli stadi dell'amplificatore nell'elettronica, come gli amplificatori cascode. I circuiti di alimentazione delle schede elettroniche funzionano anche in cortocircuito per corrente alternata. I condensatori di blocco del bypass sono installati sulle loro linee elettriche. Hanno lo scopo di ridurre l'autoeccitazione degli stadi di amplificazione, le interferenze e i guasti del codice nei dispositivi digitali.

Riassumendo, si possono notare aspetti importanti dei processi elettrici. Affinché la corrente si presenti, deve apparire una differenza di potenziale e quindi la loro connessione fisica. Quindi la carica inizierà a trasferirsi da un punto all'altro, incontrando resistenza nel suo cammino. Su di esso verrà rilasciata energia, che viene utilizzata per eventuali processi. La potenza generata è caratterizzata da lavoro utile. Ma se la corrente non incontra ostacoli sulla sua strada, allora quando due potenziali sono collegati, tutta la potenza verrà rilasciata lungo questo percorso. Di conseguenza, viene convertita in energia termica e in parte in luce.

Questo è il principio del verificarsi di un cortocircuito, così come i fenomeni che lo accompagnano: riscaldamento eccessivo e un lampo di luce. Quando si verifica questa modalità, la corrente nel circuito è molto più alta dei valori nominali (a causa della mancanza di resistenza), che porta al fallimento della fonte di energia e il suo ricevitore in un circuito elettrico.